負(fù)折射材料光學(xué)特性研究

1、負(fù)折射材料光學(xué)特性研究論文的主要工作1.光在負(fù)折射率介質(zhì)中的反常折射2.負(fù)折射材料的發(fā)展與應(yīng)用3.含負(fù)折射材料一維光子晶體的能帶特性負(fù)折射材料的概念 負(fù)折射材料是指媒質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，此時(shí)折射率 也為負(fù)的介質(zhì)。 當(dāng)光從普通介質(zhì)入射到負(fù)折射率介質(zhì)時(shí)，根據(jù) 將會(huì)出現(xiàn)負(fù)的折射角，即入射光線和折射光線在法線的同側(cè)。n 1122sinsinnn負(fù)折射現(xiàn)象負(fù)折射材料的非尋常折射正折射材料負(fù)折射材料棱鏡的折射負(fù)折射材料正折射材料負(fù)折射材料透鏡的折射負(fù)折射材料負(fù)折射材料正折射材料透鏡的折射正折射材料正折射材料平板的折射 負(fù)折射材料制作的平板將點(diǎn)源0發(fā)出的射線聚焦在其對(duì)稱點(diǎn)O上，具有成像功能。Sne

2、ll定律考慮到負(fù)折射率，可以將折射定律改寫為 折射角與入射角均取正值，P1, P2，代表介質(zhì)的旋向，旋向相同時(shí)，其比值為1，旋向不同時(shí)，其比值為-1。 1222221111sinsinnPnP 負(fù)折射材料的發(fā)展發(fā)展簡(jiǎn)述 1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago發(fā)表了他在理論研究中對(duì)物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，即當(dāng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值時(shí)，電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量和波矢量之間構(gòu)成左手關(guān)系，并稱這種假想的物質(zhì)為左手材料。 2001年，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的David Smith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復(fù)合材料首次在微波段制造出一維的負(fù)折射率材料。美國(guó)Shelby等人制備出

3、了二維負(fù)折射率材料。 2002年7月，瑞士ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三維的負(fù)折射率材料。負(fù)折射材料的異常物理特性 群速方向和波矢方向相反群速方向和波矢方向相反 在普通介質(zhì)中波矢量方向和電磁波的相位傳播矢量方向總是相同的，即相速和群速方向一致，波矢量、磁矢量、電矢量始終構(gòu)成右手定則。但在負(fù)折射率介質(zhì)中，波矢量和群速方向卻正好相反。負(fù)折射現(xiàn)象負(fù)折射現(xiàn)象逆多普勒效應(yīng)逆多普勒效應(yīng) 在負(fù)折射率介質(zhì)中，由于相速度和群速度方向相反，即能量傳播的方向和相位傳播的方向相反，頻移情況呈逆多普勒效應(yīng)。在普通介質(zhì)中探測(cè)器靠近光源時(shí)(一定頻率的電磁波)，探測(cè)到的頻率會(huì)變大，反之會(huì)變小 ，而在負(fù)折射率介質(zhì)中情況正

4、好相反。逆逆Cerenkov輻射輻射負(fù)折射材料的應(yīng)用負(fù)折射材料在雷達(dá)天線、通信器件、軍事隱身技術(shù)中都有應(yīng)用 圖為美國(guó)杜克大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系DRSmith教授等人和英國(guó)帝國(guó)學(xué)院物理系Pendry教授等人合作，基于人工電磁材料在微波頻段設(shè)計(jì)的一個(gè)二維電磁波傳播路徑圖，圓環(huán)內(nèi)的部分代表負(fù)折射率材料，實(shí)線代表波的傳播，可以看出，電磁波在材料內(nèi)部發(fā)生了彎曲，從整個(gè)大圓壓縮到圓環(huán)內(nèi)，在中間形成一個(gè)沒有波傳播的“空洞”。人之所以能看見物體，是因?yàn)樵撐矬w阻擋了光線，并將其反射至人眼；雷達(dá)則是利用發(fā)射電磁波遇到物體反射回來，形成一個(gè)可以探測(cè)到的影子。而電磁波或光波對(duì)于負(fù)折射率材料覆蓋的空間既沒有波的折射，也

5、沒有散射，而是繞過“空洞”傳播，如果將物體放在洞中，因?yàn)闆]有波觸及物體，也就沒有攜帶關(guān)于物體信息的波被反射回來，因此人或雷達(dá)等也就不可能發(fā)現(xiàn)物體，從而使物體產(chǎn)生了視覺隱身。光子晶體簡(jiǎn)介 光子晶體是折射率在空間周期性變化的介電結(jié)構(gòu)，光子晶體最重要的特性是帶隙特性，即頻率在一定范圍內(nèi)的入射光在光子晶體中禁止傳播。 光子晶體根據(jù)其空間的周期性分布可分為一維、二維、三維光子晶體。含負(fù)折射率材料一維光子晶體能帶研究構(gòu)成一維光子晶體的周期結(jié)構(gòu)可以表示如下：根據(jù)布洛赫波理論，可以得到一維光子晶體的色散關(guān)系 K為布洛赫波矢沿z向分量的振幅， 為歸一化頻率 為折射角根據(jù)以上公式，可以得到光束入射到光子晶體中的色

6、散關(guān)系，即能帶結(jié)構(gòu)。 111222111222arccos cos(cos) cos(cos)sin(cos) sin(cos)Kan tntn tnt 11/tda22/tda/a c00arcsin(sin/)(1,2)iinni11222211coscos1()2coscosnnnn含負(fù)折射率材料一維光子晶體能帶研究進(jìn)一步可得到 分析可知， 當(dāng) 時(shí)，K為實(shí)數(shù)，布洛赫波為非衰減波，對(duì)應(yīng)電磁波的允許帶。 當(dāng) 時(shí)，K為復(fù)數(shù)，布洛赫波為衰減波，對(duì)應(yīng)電磁波的禁帶。 當(dāng) 時(shí)，為禁帶的邊緣。令 F0 對(duì)應(yīng)禁帶 F=0 對(duì)應(yīng)禁帶邊緣 F是頻率、入射角、折射率以及介質(zhì)層光學(xué)厚度的函數(shù)。通過繪出，的圖像，就

7、能得到能帶的特征。111222111222cos()cos(cos) cos(cos)sin(cos) sin(cos)Kan tntn tnt cos()1Ka cos()1Ka cos()1Ka cos() 1FKa能帶隨入射角的變化特征取n0=n1=1,n2=2.4,t1=0.85,t2=0.15,a=1 改變 0/305/120能帶隨入射角的變化特征僅改變n2=-2.4 通過比較可以發(fā)現(xiàn)，含負(fù)折射材料的光子晶體與正折射材料的光子晶體相比，具有更寬的禁帶，更窄的允許帶，禁帶的中心頻率和寬度對(duì)入射角的變化不敏感。0/305/12能帶隨折射率的變化特征取 n0=1 ,n2=2.4,t1=0.

8、85,t2=0.15,a=1 改變n1 n1=1 n1=3比較可知，正折射率光子晶體的禁帶隨折射率的變化非常大，隨著n1由1增加到3，禁帶的頻率寬度迅速減小。00能帶隨折射率的變化特征僅改變n2=-2.4 n1=1 n1=3比較可以發(fā)現(xiàn)，在正負(fù)折射率交替結(jié)構(gòu)的光子晶體中，電磁波的禁帶隨折射率n的變化較小，這說明不管正折射率材料選用何種折射率的介質(zhì)時(shí)都能得到頻率寬度較大的禁帶。結(jié)論 利用一維光子晶體的色散關(guān)系，研究了在正負(fù)折射率交替結(jié)構(gòu)的光子晶體的能帶隨入射角、隨折射率、隨光學(xué)厚度的變化特征，并與普通正折射率光子晶體能帶的對(duì)應(yīng)特征作了比較。 得出：正負(fù)交替結(jié)構(gòu)的光子晶體禁帶非常寬，允許帶非常窄，禁帶的中心頻率和寬度對(duì)入射角的變化不敏感。在正負(fù)折射率交替結(jié)構(gòu)的光子晶體中，電磁